P_н=10 кВт,

U_н=380 В.

Номинальная частота f=50 Гц.

По этим параметрам выбираем асинхронный двигатель с коротко замкнутым ротором 4А132М2 на основании которого и проектируем шпиндельный узел.1

Номинальный (фазнай) ток I =21 A.

Номинальная скорость n=4000 об/мин.

- угловая скорость вращения ротора АД; 400

Номинальный момент

M==. (2.13)

Момент инерции J=0.09 кгм²

Индуктивность рассеяния статора l_s =4310^-4 Гн

Индуктивность рассеяния ротора l_r =5110^-4 Гн

Взаимная индуктивность статора и ротора Lm= 0.1045 Гн

Число пар полюсов 2n=3

КПД =88%, cos=0.9

Отношение 7.5. Отношение 1.7, 2.8

Активное сопротивление статора r_c=0,45 Ом.

Активное сопротивление ротора r_р=0,7 Ом.

Величина вектора потокосцепления ротора

, (2.14)

где

- обобщенные векторы, соответственно, тока, потокосцепления статора;

- обобщенный вектор потокосцепления ротора;

L_m - взаимная индуктивность статора и ротора;

- индуктивность рассеяния, соответственно, статора и ротора.

==19*(0,1+51*10^-4)+19*0,1=3,8.

2.4.5 Расчет теплового параметра шпиндельного узла

Шпиндельным узлам, работающим на больших скоростях, к которым предъявляются высокие требования по точности и жесткости, необходим эффективный тепло отвод. Асинхронный двигатель имеет коэффициент полезного действия равный з=88%, то есть потери мощности, подаваемой на обмотки, составляет 10%. Эта мощность расходуется на потери в роторе и трение. Если первый показатель нельзя изменить, так как увеличение проводимости материала ротора повлечет изменение остальных показателей системы, включая стоимость узла, то второй параметр можно контролировать величиной объема СОЖ в системе. Отвод температуры из шпиндельной бабки производится за счет прокачки жидкости, отводящую на себя излишнюю температуру через технологические отверстия в корпусе у передней и задней опоры. Объем жидкости, циркулирующей через систему, рассчитывают по формуле:

(2.15)

где

Q - количество отводящегося тепла за время Дt;(кДж/мин)

q_m - расход охлаждающей жидкости; (кг/мин)

C_m - удельная теплота охлаждающей жидкости;(кДж/кг*с⁰)

ДT - приращение температуры.С⁰

Ротор, как и статор, в процессе работы также нагреваются, что может привести к обугливанию поверхностей и, как следствие, снижению мощности двигателя, что не допустимо. Охлаждение их также предусмотрено и производится с отдельного ввода. Жидкость, проходя через пазы муфты статора, предотвращает его перегревание.

(2.16)

q_m=72/1.9*10=4 л/мин

2.4.6 Определение напряжений и перемещений в вале ротора

Вал узла и установленный на нем ротор составляют неразъемную систему для обеспечения передачи вращающего момента. Роторные пластины, жестко установленные на втулке, устанавливаются на вал с натягом Д=0.034мм. Это достигается нагревом втулки на 190 С⁰,что приведет к объемному расширению на 40мкм. При остывании между цилиндрами возникает контактное напряжение p_k. При посадке внешний радиус внутреннего цилиндра сократится, и точки цилиндра на контактной поверхности получат отрицательное смещение.

(2.17)

где

E - коэффициент упругости первого рода (Па);

а - внутренний диаметр вала (мм.);

b- внешний диаметр ротора (мм.);

c- внутренний диаметр ротора (мм.).

Картина распределения напряжений в сопряженных цилиндрах показана рисунке 2.20.

Рис. 2.20

Таким образом, в результате посадки оба цилиндра будут работать как одно целое и в (составном цилиндре) возникнут напряжения взаимодействия. Если внутренний радиус вала мал, то посадка труб по соотношению (2.17) дает почти двукратное снижение эквивалентного напряжения в контактных зонах. В дальнейшем при нагрузке ротора моментом, контактное давление не допустит прокручивания и пластической деформации, если рабочее давление не превышает давление предварительного обжатия. Проектируемый шпиндельный узел (исходя из требований предъявляемых к двигателю) способен развить момент до 100 Н*м, при требуемых в режимах резания 23 Н*м. Рассчитаем критический момент, при a=50 мм., b=173 мм, c=72 мм, h=140 мм:

(2.18)

где

P - сила приложенная к валу;

f- коэффициент трения;

h- ширина ротора.

Это удовлетворяет требованиям, предъявляемым к жесткости соединения с запасом в 10 раз. Натяг вала и ротора соответствует посадке П₆.

3. Система управления

3.1 Электрический привод с асинхронным двигателем

ЭП с трехфазным асинхронным двигателем (АД) является самым массовым видом привода в промышленности, коммунальном и сельском хозяйстве. Такое положение определяется простотой изготовления и эксплуатации АД, их меньшими по сравнению с двигателями постоянного тока массой, габаритами и стоимостью, надежностью в работе.

В основную общепромышленную серию 4А входят двигатели на мощности от 0,06 до-400 кВт с высотами осей вращения от 50 до 355 мм, которые выпускаются в самых различных модификациях и конструктивных исполнениях: с. повышенными пусковым моментом и скольжением; с фазным ротором; встраиваемые; малошумные; со встроенной температурной защитой; с электромагнитным тормозом; с подшипниками скольжения; химострйкие. АД различаются также по климатическому исполнению и категории размещения. Для комплектации ЭП большой мощности выпускаются АД серий АН-2 (мощностью до 2000 кВт), АВ (мощностью до 8000кВт), ДАЗО (мощностью до 1250кВт) и ряд других.

Для ЭП крановых механизмов производятся специализированные АД серии MTF (с фазным ротором) и MTKF (с короткозамкнутым ротором), а для рабочих машин и Механизмов металлургического производства--серии МТН (с фазным ротором) и МТКН (с короткозамкнутым ротором). В составе этих серий выпускаются и многоскоростные АД. Двигатели указанных серий отличаются повышенной механической прочностью, большими пусковыми моментами при сравнительно небольших пусковых токах, хорошими динамическими показателями. Крановые и металлургические АД новой серии 4МТ отличаются улучшенными технико-экономическими показателями работы, расширенной шкалой мощностей, более высоким уровнем стандартизации.

Основной областью применения АД вплоть до недавнего времени являлся нерегулируемый ЭП. В последние годы в связи с разработкой и Серийным выпуском электротехнической промышленностью тиристорных преобразователей частоты и напряжения стали создаваться регулируемые асинхронные ЭП с характеристиками, не уступающими по своим показателям ЭП постоянного тока. Применение таких ЭП в,силу определенных преимуществ АД представляет собой прогрессивную тенденцию развития автоматизированных ЭП не только в нашей стране, но и за рубежом.

С разработкой и освоением серийного производства мощных силовых полупроводниковых приборов появилась возможность широкого применения мощных преобразователей частоты (ПЧ) для питания обмоток высоковольтных АД. Таким образом, появилась возможность создания регулируемых по скорости мощных высоковольтных асинхронных электроприводов.

Известно, что механические и динамические характеристики, энергетические показатели АД в частотно-регулируемом электроприводе определяются: принятым законом частотного управления, способом частотного управления, алгоритмической и аппаратной реализацией автоматической системы регулирования (АСР) электропривода.

Несмотря на большое количество разработанных и исследованных структур АСР для низковольтных электроприводов, применение их для мощных высоковольтных электроприводов не представляется возможным. Это связано с особенностями высоковольтного электропривода, а именно:

значительным усложнением непосредственного измерения параметров электропривода;

условием минимальной асимметрии питающих токов, вытекающей из требования к повышенной энергетике электропривода;

применением трехфазного двух обмоточного АД, питающегося от двухсекционного преобразователя частоты, вытекающим из условия улучшенных энергетических, регулировочных свойств и способа наращивания выходной мощности.

Кроме перечисленных особенностей необходимо отметить, что значительная часть высоковольтных АД рассчитана на высокие скорости вращения (6000 об/мин и выше), что исключает возможность применения вращающихся на валу АД датчиков.

Таким образом, на основании анализа приведенных законов, способов, технических устройств частотного управления асинхронными электроприводами, можно сделать следующие выводы.

Для мощных электроприводов механизмов, работающих с постоянным моментом сопротивления на валу целесообразно применение закона частотного управления с постоянством потокосцепления ротора, отличающегося наивысшей перегрузочной способностью и обеспечивающего наилучшие динамические свойства двигателя.

Для мощных электроприводов механизмов, благодаря своим высоким энергетическим показателем и простоте технической реализации целесообразно использовать закон частотного управления по минимуму потерь.

Для наращивания мощности электропривода и одновременного повышения его энергетических показателей, используются трехфазные одно-обмоточные двигатели с пространственным сдвигом между трехфазными статорными обмотками, питающимися от трехфазного преобразователя частоты токами (напряжениями) с фазовым сдвигом в 60 эл.град.

Известные в настоящее время технические устройства для частотного управления асинхронным электроприводом в полной мере не отвечают требованиям, предъявляемым к мощному высоковольтному электроприводу и им присущи следующие недостатки:

ограниченная низкоскоростными электроприводами область применения, необходимость изготовления специальной машины или переделка серийной, применение специальных устройств для механического сочленения валов, невозможность применения в запыленных и агрессивных средах, что обусловлено наличием датчиков на валу и внутри машины;

высокая сложность технической реализации, обусловленная наличием сложных технических устройств: координатного преобразования, фильтров, фазовращателей, функциональных преобразователей, блоков коррекции мгновенного значения частоты;

наличие большого числа датчиков, осуществляющих высоковольтную гальваническую развязку;

невысокая надежность, что обусловлено наличием датчиков на валу и внутри машины, высокой сложностью технической реализации блоков АСР, датчиков, осуществляющих высоковольтную гальваническую развязку.

3.2 Техническое описание системы

В основе описания АД при переменной частоте питающей сети лежит общая теория электрических машин.

Основой этого служат уравнения, составленные в фазовых координатах. Особенностью АД является совокупность магнитосвязанных цепей с коэффициентами само- и взаимоиндукции, периодически изменяющимися в функции угла поворота ротора относительно статора. В зависимости от степени насыщения магнитной системы машины, эти коэффициенты могут зависеть еще и от токов во всех обмотках. При записи уравнений в фазовых координатах получают систему дифференциальных уравнений высокого порядка (в трехфазной системе координат число уравнений равно 14) с переменными коэффициентами. Пользоваться такой системой для исследования электромеханических процессов, происходящих в АД не представляется возможным в связи с громоздкостью, наличием переменных коэффициентов, нелинейностью. Дальнейшее упрощение и преобразование исходной системы уравнений основывается на следующем общем методе. При этом уравнения в фазовых координатах преобразуются к уравнениям, выраженным через обобщенные (результирующие) векторы, вводится система относительных единиц для токов, напряжений, потокосцепления, скоростей вращения, частот, моментов, активных, индуктивных сопротивлений. Введение системы относительных единиц упрощает вид уравнений, а выражение переменных через результирующие векторы приводит к виду дифференциальных уравнений, при котором коэффициенты дифференциальных уравнений ненасыщенной машины являются постоянными величинами. Для насыщенной машины необходимо вводить зависимость величин этих коэффициентов от магнитного состояния машины.

После указанных преобразований получают систему дифференциальных уравнений шестого порядка с постоянными коэффициентами, что значительно упрощает описание АД и делает возможным использование этой системы для исследования электромеханических процессов, протекающих в АД. Дальнейшее преобразование полученной системы уравнений сводится к переводу векторов, входящих в уравнение, в различные системы координат (в зависимости от цели решаемой задачи).

При математическом описании АД принят ряд допущений, соответствующих идеализированному представлению АД:

фазные обмотки симметричны, одинаковы, воздушный зазор по все окружности ротора одинаков;

не учитываются потери в стали, а также высшие гармоники магнитодвижущей силы и рабочего потока;

параметры АД постоянны и не зависят от токов в обмотках АД;

Цель проекта сводится к разработке автоматической системы регулирования частоты тока, поступающего на обмотки статора асинхронного электропривода и напряжения питания на базе автономного мостового инвертора тока с трехфазным одно-обмоточным двигателем. При этом автоматическое изменение электрических параметров регулирует механические силы, действующие на привод.

3.3 Анализ существующих средств автоматизации

Известные в настоящее время технические устройства для частотного управления асинхронным электроприводом в полной мере не отвечают требованиям, предъявляемым к мощному высоковольтному электроприводу и им присущи следующие недостатки:

ограниченная низкоскоростными электроприводами область применения, необходимость изготовления специальной машины или переделка серийной, применение специальных устройств для механического сочленения валов, невозможность применения в запыленных и агрессивных средах, что обусловлено наличием датчиков на валу и внутри машины;

высокая сложность технической реализации, обусловленная наличием сложных технических устройств: координатного преобразования, векторных фильтров, фазовращателей, функциональных преобразователей, блоков коррекции мгновенного значения частоты;

наличие большого числа датчиков, осуществляющих высоковольтную гальваническую развязку;

невысокая надежность, что обусловлено наличием датчиков на валу и внутри машины, высокой сложностью технической реализации блоков АСР, датчиков, осуществляющих высоковольтную гальваническую развязку.

3.4 Обоснование системы автоматического управления

При частотном управлении асинхронными двигателями наиболее часто используются следующие законы: поддержание постоянства потокосцепления статора (Y₁=const), поддержание постоянства главного потока машины (Y₀=const), поддержание постоянства потокосцепления ротора (Y₂=const), и регулирование величины потокосцепления в зависимости от величины нагрузочного момента (Y₁, Y₀, Y₂) =f(M)).

Первый закон реализуется при поддержании постоянного отношения ЭДС статора к угловой частоте поля. Основным недостатком такого закона является пониженная перегрузочная способность двигателя при работе на высоких частотах, что обусловлено увеличением индуктивного сопротивления статора и, следовательно, снижением потокосцепления в воздушном зазоре между статором и ротором при увеличении нагрузки.

Поддержание постоянства главного потока повышает перегрузочную способность двигателя, но усложняет аппаратную реализацию системы управления и требует либо изменений конструкции машины, либо наличия специальных датчиков.

При поддержании постоянного потокосцепления ротора, момент двигателя не имеет максимума, однако при увеличении нагрузки увеличивается главный магнитный поток, приводящий к насыщению магнитных цепей и, следовательно, к невозможности поддержания постоянства потокосцепления ротора.

Общим недостатком законов с поддержанием постоянства потокосцепления являются: низкая надежность, обусловленная наличием датчиков, встраиваемых в двигатель, и потери в стали при работе двигателя с нагрузочным моментом меньше номинального. Эти потери вызваны необходимостью поддержания постоянного номинального потокосцепления в различных режимах работы.

Существенно повысить КПД двигателя можно путем регулирования магнитного потока статора (ротора) в зависимости от величины нагрузочного момента (скольжения). Недостатками такого управления являются низкие динамические характеристики привода, обусловленные большой величиной постоянной времени ротора, из-за чего магнитный поток машины восстанавливается с некоторой задержкой и сложность технической реализации системы управления.

В то же время существует ряд приводов таких механизмов как насосы, компрессоры, конвейеры и т. д., которые занимают промежуточное положение между динамичными и низко динамичными, и для которых существующие системы не в полной мере удовлетворяют предъявляемым к этим приводам требованиям. Высоко динамичные привода имеют сложную систему управления и повышенные энергетические потери при недогрузе двигателей, а низко динамичные привода не всегда способны отработать быстрые изменения статического момента.

Как уже было отмечено, высокими энергетическими характеристиками обладают системы с регулированием магнитного потока в функции нагрузки. Увеличить их динамические характеристики можно путем форсировки статорного напряжения (тока) во время переходных процессов и частых формирований управляющих воздействий. Получить высокую надежность можно за счет применения упрощенной системы регулирования, отказа от встроенных в двигатель и механически связанных с ротором датчиков.

3.5 Схема включения, статические характеристики и режимы работы асинхронного двигателя

Трехфазный АД имеет обмотку статора, подключаемую к трехфазной сети переменного тока с напряжением U и частотой f, и обмотку ротора, которая может быть выполнена по двум вариантам (рис.3.1).

Рис.3.1. Схемы включения АД с фазным ротором (а) и с короткозамкнутым ротором (б)

Первый вариант предусматривает выполнение обычной трехфазной обмотки из проводников с выводами на три контактных кольца. Такая конструкция соответствует АД с фазным ротором и позволяет включать в роторную цепь различные электротехнические элементы, например резисторы для регулирования скорости, тока и. момента ЭП, и создавать с той же целью. Специальные схемы включения АД. Другой вид обмотки получают заливкой алюминия в пазы ротора, в результате чего образуется конструкция, известная под названием “беличья клетка”. Схема АД с такой обмоткой, не имеющей выводов и получившей название короткозамкнутой.

3.5.1 Регулирование параметров электропривода с асинхронным двигателем изменением напряжения

Изменение величины напряжения, подводимого к статору АД, позволяет осуществлять в статических и динамических режимах регулирование его мощности с помощью относительно простых схем управления.

Для регулирования координат короткозамкнутого АД между сетью переменного тока со стандартным напряжением U _1ном и статором (рис.2, а) двигателя 2 включен регулятор I напряжения, выходное напряжение которого U _1рег изменяется с помощью внешнего сигнала управления U. Изменяя величину этого сигнала, можно регулировать напряжение на статоре двигателя U _1рег в пределах от величины сетевого напряжения U _1ном и практически до нуля. При, этом частота напряжения на двигателе не изменяется и равна стандартной (50 Гц).



Рис.3.2 Схема регулирования координат АД изменением напряжения на статоре (а) и механические характеристики(б)

Регулирование напряжения на статоре не приводит к изменению скорости холостого хода w₀=2f₁ /p и не влияет на критическое скольжение s_k, но существенно изменяет величину критического (максимального) момента M_k. Как следует из схемы, снижение напряжения приводит к резкому уменьшению Мк, пропорционально квадрату напряжения.

В результате при U _1рег =var искусственные характеристики (рис.3.2,б) оказываются малопригодными для целей регулирования скорости, так как по мере уменьшения напряжения резко снижаются критический момент АД и тем самым его перегрузочная способность, а диапазон регулирования скорости очень мал. Характеристики 3--6 построены при напряжениях 1;0,8; 0,6 и 0,4 от U _1ном.

Для регулирования напряжения на статоре АД могут использоваться различные электротехнические устройства--автотрансформаторы, магнитные усилители и тиристорные регуляторы напряжения (ТРН). Последние получили в настоящее время наибольшее распространение из-за высокого КПД, простоты в обслуживании, легкости автоматизации работы ЭП. Рассмотрим принцип действия ТРН и основанную на его использовании систему ЭП “тиристорный регулятор напряжения -- асинхронный двигатель” (ТРН -- АД).



Рис. 3.3. Схема (а) я кривые напряжения (б) однофазного ТРН

На рис. 3.3, а показана схема регулирования напряжения на однофазной нагрузке переменного тока Zy. Силовая часть однофазного ТРН образована двумя тиристорами VS1 и VS2, включенными по встречно-параллельной схеме, которая обеспечивает протекание тока в нагрузке в оба полу периода напряжения сети U1. Тиристоры получают импульсы управления U, от СИФУ, которая обеспечивает их сдвиг на угол управления в функции внешнего сигнала управления Uy.

Осуществляя подачу импульсов управления на тиристоры с некоторой задержкой относительно предельного режима (угол управления О), то к нагрузке будет прикладываться часть напряжения сети (рис. 3.3,6). Изменяя угол управления а от нуля до , можно регулировать напряжение на нагрузке от полного напряжения сети до нуля. На основе однофазной схемы создаются трехфазное схемы для регулирования напряжения на статоре АД. Такая схема, состоящая из шести тиристоров VS1 -- VS6, доказана на рис. 3.4

Рис.3.4 Схема трехфазного тиристорного регулятора-напряжения

Форма напряжения на нагрузке является несинусоидальной. Несинусоидальное напряжение можно представить как совокупность нескольких синусоидальных напряжений--гармоник, каждая из которых изменяется с определенной частотой. Частота изменения первой из них (основной гармоники) равна частоте питающего напряжения, а частота других гармоник больше, чем первой. Обычно 1-я гармоника имеет наибольшую амплитуду, и по ней ведутся все основные расчеты.

3.5.2 Регулирование скорости асинхронного двигателя изменением частоты

Данный способ, называемый частотным, является одним из наиболее перспективных, и широко внедряется в настоящее время. Принцип его заключается в том, что, изменяя частоту fi питающего АД напряжения, можно в соответствии с выражением ₀ == 2f1/p изменять его скорость ₀ получая различные искусственные характеристики. Этот способ обеспечивает плавное регулирование скорости в широком диапазоне, а получаемые характеристики обладают высокой жесткостью. Для лучшего использования АД и получения высоких энергетических показателей его работы -- коэффициентов мощности, полезного действия, перегрузочной способности- одновременно с частотой необходимо изменять и подводимое к АД напряжение. Закон изменения напряжения при этом зависит от характера момента нагрузки Мc.

При постоянном моменте нагрузки Mc =const напряжение на статоре должно регулироваться пропорционально его частоте: U/f=const.

Для вентиляторного характера момента нагрузки это соотношение имеет вид: U/f²=const.

Таким образов, при реализации частотного способа регулирования скорости АД должен быть использован преобразователь частоты, который позволяет также регулировать и напряжение на статоре АД.

3.6 Схема включения АД и его характеристики

Необходимым элементом ЭП является преобразователь частоты 1и напряжения, на вход которого подается стандартное напряжение сети U (380 В.) промышленной частоты f = 50 Гц, а с его выхода снимается переменное напряжение U1per регулируемой частоты f1рег (рис.3.5, а)

Рис.3. 5. Схема асинхронного ЭП (а) и механические характеристики АД (6) при частотном регулировании

Регулирование выходной частоты и напряжения осуществляется с помощью управляющего сигнала Uy, изменение которого определяет в конечном итоге изменение скорости двигателя 2.

Анализ механических характеристик АД U/f =const показывает, что скорость о идеального холостого хода АД изменяется при регулировании f1, а критический момент Mк, остается неизменным.

Так как ₀f₁ и x_кf₁ то и момент МU/f

Область частот f₁f_ном. - область регулирования для асинхронного двигателя (характеристики 3--5) соотношение U/f =const может выполняться, так как напряжение, подводимое к АД, регулируется от номинального (сетевого) в сторону уменьшения. Поэтому М=const и АД имеет постоянную перегрузочную способность.

Рассмотрим теперь принципы действия и виды применяемых в этой системе ЭП преобразователей частоты.

3.7 Преобразователи частоты

3.7.1 Принцип действия ПЧ

Различные типы ПЧ, которые нашли применение в области частотного управляемого, асинхронного ЭП, могут быть разделены на две группы, отличающиеся друг от друга по используемым техническим средствам и по структуре.

Первую группу составляют так называемые электромашинные вращающиеся ПЧ, в которых, для получения переменной частоты, используются обычные или специальные электрические машины.

Рис.3.6. Схема электромашинного ПЧ с синхронным генератором

На рис.3.6. приведена схема ПЧ с синхронным генератором 3, от которого питаются три асинхронных двигателя 5--7. Преобразователь состоит из двух частей: агрегата постоянной скорости, включающего асинхронный двигатель 1 и приводимый им генератор постоянного тока 2, и агрегата переменной скорости, состоящего из регулируемого двигателя постоянного тока 3, приводящего во вращение синхронный генератор переменной частоты. Двигатель 1 питается от сети со стандартной частотой f1 = 50 Гц, а на выводах синхронного генератора 4 частота и напряжение могут регулироваться. С помощью резистора R1 в цепи обмотки возбуждения генератора 2 изменяется напряжение, подводимое к якорю двигателя 3, и тем самым его скорость и скорость генератора 4. При этом меняется частота напряжения на выводах синхронного генератора 4, определяемая выражением fрег=p_сг/(2), и на двигателях 5--7. Напряжение на этих двигателях регулируется с помощью резистора R3, включенного в цепь обмотки возбуждения синхронного генератора 4.

Применение ПЧ позволяет плавно регулировать скорость двигателей 5--7 в широком диапазоне, однако процессу регулирования частоты в этой системе свойственны существенные недостатки. Для создания преобразователя необходимы четыре электрические машины, рассчитанные на полную мощность потребителей что определяет громоздкость установки и ее дороговизну, особенно при больших мощностях нагрузки. Двойное преобразование энергии--энергии переменного тока частоты,f1==50Гц в энергий постоянного тока и далее опять в энергию переменного тока регулируемой частоты -- сопровождается выделением потерь энергии во всей цепи преобразования, что определяет невысокий КПД системы, и наконец, процессу изменения частоты в этой системе свойственна инерционность регулирования, связанная с изменением скорости электромашинного агрегата, обладающего механической инерцией

В настоящее время большое распространение получили статические ПЧ. Названные так, потому, что в них используются не имеющие движущихся частей элементы и устройства, такие, как полупроводниковые приборы, реакторы, конденсаторы и т. д. Использование статических ПЧ позволило повысить технико-экономические показатели регулируемого частотного ЭП за счет увеличения его КПД и быстродействия, устранения шума и упрощения обслуживания. Статические ПЧ подразделяются на две группы: без с непосредственной связью питающей сети и нагрузки и с промежуточным звеном постоянного тока.

3.7.2 Преобразователи без звена постоянного тока

Упрощенная функциональная схема ПЧ без звена постоянного тока (рис.3.7).состоит из силовой части 3, с которой связан асинхронный двигатель 4, и блока 2 управления. С помощью указанных блоков осуществляется преобразование электрической энергии переменного тока стандартных напряжений U1 и частоты f1 в энергию переменного тока с регулируемыми напряжением Uрег и частотой fper.

Рис 3.7.. Блок-схема ПЧ с непосредственной связью

Силовая часть 3 выполняется на базе полупроводниковых приборов (тиристоров или транзисторов), управляемых сигналами с блока 2.

Одна из распространенных тиристорных схем трехфазного ПЧ (НПЧ) состоит из трех одинаковых комплектов 2--4 тиристоров (рис.3.8), обеспечивающих питание обмоток статора АД z_а,z_в,z_с.

Рис.3.8. Схема трехфазного НПЧ

Каждый из трех комплектов содержит шесть тиристоров, три из которых анодами подсоединены, а три других катодами к вторичным обмоткам трансформатора 1. В схеме нулевая точка трансформатора 1 соединена с общей точкой трехфазной обмотки статора, поэтому схема называется нулевой. Каждая фаза этой схемы работает независимо от остальных, поэтому ее действия можно рассмотреть работу одной из фаз, например А, управляемую группой 2 тиристоров VS1 -- VS6.

Фазные напряжения на вторичных обмотках трансформатора 1 изменяются по синусоидальному закону (рис.3.9, а), а нагрузка имеет активный характер (если нагрузкой является АД, то ее характер будет активно-индуктивный),

Если тиристоры VS1 -- VS6 закрыты (управляющие импульсы от блока управления на них не подаются). В этом случае все напряжение с выхода трансформатора прикладывается к закрытым тиристорам и напряжение на статоре равно нулю.

Рис 3.9 Графики напряжений сети на входе (а) и на выходе (б, в) НПЧ

Подавая от блока управления импульсы на тиристор VS1 в момент времени t1, на VS2- в момент t2 на VS3--в момент t3. Так как в эти моменты времени потенциалы анодов тиристоров более высокие, чем катодов, то они откроются и к фазе статора будет приложено напряжение, представляющее собой положительные участки трех синусоид вторичных напряжений трансформатора Ua, Ub и Uc (рис.9.б). Если снять управляющие импульсы с VS1- VS3 и подать импульсы на тиристоры VS6, VS4 и VS5 в моменты t5, t6, t7, то на нагрузке также образуется напряжение в виде участков синусоид, но уже противоположной полярности. При поочередном открытии тиристоров VS1--VS3 и VS4-- VS6 в указанном порядке кривая Uрег будет периодически повторяться. Таким образом, к фазе обмотки статора подводится напряжение переменного тока с периодом Tрег и частотой fper=l/Tper.

Период Трег этого напряжения больше, чем период сетевого напряжения T1, частота напряжения на статоре АД fрег меньше, чем частота питающего напряжения f1. Соотношение между этими величинами для трехфазной схемы

Tрег=Т1(3+2(h-1))/3,

где h = 2, 3,...-- число открываемых тиристоров в группе. Из этого следует, что ПЧ без звена постоянного тока с непосредственной связью питающей сети и нагрузки может обеспечивать регулирование частоты на статоре f1 АД только в сторону ее уменьшения по сравнению с сетевой. Плавность и расширение диапазона регулирования частоты на выходе ПЧ достигается введением паузы tрег между моментом снятия импульсов управления с тиристоров VS1 -- VS3 и подачей их на тиристоры VS4--VS6.

3.7.3 Преобразователи со звеном постоянного тока

Схема ПЧ со звеном постоянного тока состоит из двух основных блоков: управляемого выпрямителя 2 (рис.3.10) и управляемого инвертора 3 с блоками 1 и 5 управления.

Рис.3.10 Схема ПЧ со звеном постоянного тока

Напряжение сети U1 стандартной частоты f1 подается на вход управляемого выпрямителя 2, преобразующего переменное напряжение U1 в постоянное Е0. Это напряжение можно регулировать в широких пределах с помощью блока управления. Выпрямленное и регулируемое напряжение E0 подается на вход инвертора 3, который преобразует напряжение постоянного тока Е0 в трехфазное напряжение Uрег регулируемой частоты fрег, которое подается на двигатель 4. Частота выходного напряжения fрег инвертора регулируется блоком 5 управления в функции сигнала управления Uy.1

3.8 Управляемые инверторы

В частотно-управляемом асинхронном ЭП применяются., различные инверторы, отличающиеся видами коммутации тиристоров, схемами их соединения, способами регулирования напряжения на АД.

В зависимости от способа коммутации тока тиристоров инверторы делятся на ведомые сетью и автономные. В инверторах, ведомых, сетью (их еще называют зависимыми инверторами), коммутация тока с тиристора на тиристор обеспечивается напряжением переменного тока источника питания.

В автономных (независимых) инверторах для коммутации тока используются дополнительные элементы--тиристоры, диоды, конденсаторы и катушки индуктивности.

Автономные инверторы делятся на инверторы напряжения и тока. Автономные инверторы напряжения (АИН) подключаются к источнику напряжения, например управляемому выпрямителю, на выходе которого включен конденсатор большой емкости. АИН имеет жесткую внешнюю характеристику, т. е. с изменением тока нагрузки напряжение на его выходе практически не изменяется. Вследствие этих свойств, при использовании АИН управляющими воздействиями на двигатель являются частота и напряжение.

Питание автономных инверторов тока (АИТ) осуществляется от источника тока, например управляемого выпрямителя, к выходу которого подключается реактор большой индуктивности. При использовании АИТ управляющими воздействиями на АД являются частота и ток статора.

Каждый из видов автономного инвертора имеет в частотно управляемом асинхронном ЭП свою область применения. Для АИН характерны практическая независимость выходного напряжения от режима работы АД, что обусловливает его предпочтительное использование в разомкнутых асинхронных ЭП, а также при управлении группой регулируемых АД. Недостатками ПЧ с АИН являются использование конденсаторов на их входе большой мощности, массы и габаритов; большое количество тиристоров и Коммутирующих элементов; введение в схему ПЧ для обеспечения рекуперации энергии в сеть дополнительного ведомого сетью инвертора.

ПЧ с АИТ по отношению к двигателю является источником переменного тока регулируемой частоты, что позволяет создать достаточно простые и быстродействующие асинхронные ЭП и определяет его предпочтительное применение для индивидуальных реверсивных ЭП, работающих в интенсивном повторно кратковременном режиме. К достоинствам ПЧ с АИТ относятся также отсутствие конденсатора на входе АИТ; возможность рекуперации активной энергии в сеть без усложнения схемы; относительно небольшое количество тиристоров и силовых диодов. Недостатком АИТ является необходимость включения входного реактора.

Регулирование выходного напряжения ПЧ может осуществляться несколькими способами. В ПЧ с непосредственной связью регулирование выходного напряжения осуществляется так же, как и в управляемых выпрямителях. Такое управление получило название фазового.

В ПЧ со звеном постоянного тока регулирование напряжения на нагрузке (статоре АД) производится или от специального регулятора напряжения, или самим инвертором.

Первый способ, в свою очередь, может быть реализован двумя путями--за счет использования управляемого выпрямителя (фазовое управление) или неуправляемого выпрямителя и размещаемого между ним и инвертором широтно-импульсного преобразователя (ШИП) (амплитудное регулирование напряжения). К достоинствам этого способа следует отнести широкий диапазон регулирования напряжения и возможность использования для любого типа инвертора.

Второй способ связан с совмещением функций регулирования частоты и напряжения в самом инверторе. Оно реализуется с помощью; сложных алгоритмов управления тиристорами и предусматривает использование широтно-импульсной модуляции (ШИМ).

3.9 Схема управления параметрами системы

Рис.3. 11.: Схема ПЧ со звеном. постоянного тока и АИН

На рис.3.11 показана схема силовой части ЭП с асинхронным двигателем 3, в котором использован ПЧ со звеном постоянного тока и автономный инвертор 2 напряжения. В этой схеме на выходе управляемого выпрямителя 1 включены реактор фильтра l0 и конденсатор Со, обеспечивающий вместе с диодами VD7-- VD12 циркуляцию реактивной мощности. Автономный инвертор 2 напряжения выполнен на тиристорах VS1 -- VS6. Конденсаторы С и реакторы L вместе с диодами VD1--VD6 образуют цепи искусственной коммутации, обеспечивающие выключение тиристоров VS1-- VS6 в нужный момент. Амплитуда напряжения на выходе инвертора регулируется изменением напряжения Е0 на его входе с помощью блока управления выпрямителем 1, а его частота fper определяется частотой коммутации тиристоров VS1--VS6, задаваемой блоком управления инвертором.

Частотное управление является экономичным, так как обеспечивает регулирование скорости АД без больших потерь мощности в роторной цепи, ухудшающих КПД ЭП и приводящих к необходимости завышения мощности АД.

Регулирование в этой системе может осуществляться плавно, в широком диапазоне, в обе стороны от естественной характеристики, т.е. АД может иметь скорость как больше, так и меньше номинальной.

Трехфазная нагрузка Zа, Zв, Zс (обмотки статора АД) соединена на коротко, а тиристоры VS1--VS6 (рис.3.12), на которых выполнен инвертор, соединены по мостовой схеме и по сигналам от блока управления системы ЧПУ открываются в требуемой последовательности.

Рис.3.12 инвертор управления коротко замкнутого статора.

Продолжительность открытого состояния каждого тиристора , составляет половину или треть периода Тper=l/fper а сдвиг моментов открытия тиристоров VS1 -- VS6 составляет шестую часть этого периода.

Анализируя работу схемы рис. 3.11 оказывается, что при =Трег/2, форма напряжения на фазах нагрузки соответствует кривым на рис. 3.13 с амплитудой напряжения, равной Е0

Рис. 3.13. Диаграмма работы тиристоров и график изменения напряжения на нагрузке, при- =Трег/2

В течении интервала I открыты тиристоры 1 и 6. Напряжение идет с фазы А на фазу В и равно U0 -оно положительно так как идет с плюсового вывода. На интервале II открыты тиристоры 1 и 2, фазы А и С при этом приложенное напряжение меньше в двое и направление токов на обмотке отрицательно.

Таким же образом можно описать схемы соединения фаз обмоток стартера для оставшихся интервалов. Напряжения на фазах нагрузки имеет ступенчатую форму.

Изменения значений фазных токов с помощью регулятора тока позволит менять этот параметр по ширине и скважности сигнала на вход тиристорного инвертора. Сигналы обратной связи по току, приходящие с датчиков, контролирующих этот параметр от двух фаз, приходит на регулятор, где сравнивается с заданными (сформированными) значениями, полученными с управляющей ЧПУ которая и управляет процессом.

Параметры значения величины и амплитуды напряжения на обмотках стартера преобразуется из величины снятого с тахогенератора-вращающегося трансформатора и также регулируются, в зависимости от заданных УЧПУ значений, управляя величиной мощности на управляемом выпрямителе. При поступлении положительных сигналов на вход широтно- импульсного модулятора Uу=Uз-Uос он начинает генерировать импульсы управления. А эти сигналы распределяются регулятором по тиристорам выпрямителя. Пусть при процессе обработки произошло увеличение момента нагрузки двигателя (увеличилась глубина шлифовки) в результате начнется снижение скорости вращения круга. В соответствии с:

Uвых=Up-*,

где

Uвых- напряжение идущее с регулятора.

- коэффициент обратной связи по скорости регулируемый за счет изменения тока с датчиков

Величина сигнала Uу, величина рассогласования в регуляторе влияющая на работу ШИМ, начнет повышаться, что вызовет увеличение амплитуды напряжения обмоток и уменьшения скважности их токов- увеличение тока стартера и момента АД, что приведет к прекращению снижения скорости.

3.10 Регулятор тока

Он включает в себя аналоговую (датчики тока, фазовращатели) и цифровую (схема выбора режимов, дешифратор кодов и формирователи). Датчики тока (ТТ1 и ТТ2) включены только в обмотках фаз А и В

Фазоврашатель представляет собой фильтр второго порядка, настроенный на частоту. ФВ осуществляет формирование синусоидальной формы сигнала ТА', подавляя высокочастотные пульсации. При этом он вносит фазовый сдвиг сигнала ТА' на 60 эл. градусов в сторону отставания по сравнению с сигналом ТА, поступающим непосредственно с датчика тока. Датчик тока построен по принципу магнитного компаратора и конструктивно выполнен на ферритовом кольце.

Рис.3.14 Зависимость индуктивности обмотки lk датчика тока от намагниченности

Магнитное поле, создаваемое фазным током двигателя компенсируется полем тока, протекающего по компенсационной обмотке wk трансформатора тока ТТ1 и ТТ2. Поскольку число витков обмоток Wн и Wk разное, то обеспечивается масштабирование по отношению к измеряемому току. Компенсационный ток Iк формируется импульсным усилителем ИУ, управляемым компаратором D1. Переключение D1 осуществляется производной от ЭДС самоиндукции на обмотке wk. ЭДС зависит от тока в обмотке wk и от индуктивности обмотки (рис. 3.14).

Знак тока Iк зависит от полярности напряжения Е _NА на выходе ИУ.

Длительность полу периодов устанавливается автоматически такой, что постоянная составляющая тока Iк в обмотке wk будет пропорциональна измеряемому току Iа.

На выходе ИУ включены индуктивности L1 и L2, исключающие резкое нарастание тока Iк.

В случае, если по какой-либо причине не произойдет переключение D1, нарастание сигнала ТА вызовет пробои стабилитронов VI и V2, что повлечет переключение D1 и возврат к рабочему циклу намагничивания кольца.

Рис. 3.15. Формирователь импульсов управления инвертором.

Схема формирователя сигналов управления инвертором формирует сигналы КА1 и КА4 (фазы А). КB6 и КB3 (фазы B), КC2 и К25 (фазы C). Схема формирователя представлена на рис. 3.15

Изменение уровня напряжения обеспечивается элементами V46, V47, V40,V41, R77, R78.

3.11 Регулятор скорости

И используется в приводе подачи. Он предназначен для формирования сигналов задания фазных токов фаз А и В, для контроля функционирования контура регулирования скорости и выработки сигналов “перегрев двигателя” и “превышение момента” на валу двигателя.

Функциональная схема блока приведена в приложении.

Усилитель регулятора скорости (ОУ Dl, D2) выполнен по схеме ПИ-регулятора, вырабатывающего сигнал задания момента Uq.. Уровень сигнала U определяет задание момента на валу двигателя. Ограничение выполняется диодным ограничителем V6...V9. Повторитель на ОУ D2 служит для согласования ПИ-регулятора с последующими схемами.

Рис. 3.16. Временные диаграммы работы регулятора тока РТ

При превышении уровня на выходе ПИ-регулятора (Dl) срабатывает компаратор D3, расположенный в схеме ФБЛ. Выдается сигнал блокировки ФБ в блок автоматики АП5.

Сигнал задания тока статора Tзс формируется в виде суммы двух векторов, модули которых пропорциональны сигналам Ud и Uq. Векторное суммирование эквивалентно суммированию двух синусоидальных сигналов, смещенных на 60°, амплитуды которых соответственно пропорциональны Ud и Uq. Фаза полученного сигнала зависит от полярности и отношения (Uq/Ud). Суммирование выполняет ОУ D14.

Сигнал задания тока ротора Гзр, пропорциональный Uq, формируется в формирователе ФТР. Этот сигнал определяет (совместно с частотой скольжения) величину и направление момента на валу двигателя.

3.12 Математическое описание асинхронного двигателя

Асинхронная машина представляет собой систему, как минимум двух обмоток, одна из которых расположена на неподвижной части (статоре), другая на вращающейся части (роторе) машины. Момент машины образуется в результате взаимодействия токов в этих обмотках. Трехфазная обмотка статора подключается к питающей сети, трехфазная обмотка ротора замкнутая. Обмотки статора и ротора магнитосвязаны, поэтому потокосцепление обмотки статора определяется как токами, протекающими по трем фазам обмотки статора, так и токами фаз ротора. Это же относится и к обмотке ротора. Таким образом, имеются две трехфазные обмотки, вращающиеся одна относительно другой. Если к обмотке статора приложено трехфазное напряжение, а обмотка ротора замкнута, то мгновенные значения фазных напряжений статора и ротора задаются следующими уравнениями:

 (3.1)

Исходя из теории результирующего вектора, описанной в системе уравнений 3.1, умножим первое и четвертое уравнения системы (1) на , второе и пятое на , третье и шестое на . Суммируя полученные произведения, получим:

,

или

(3.2)

где потокосцепления Y₁ и Y₂ зависят от токов ротора и статора, а также от индуктивностей обмоток машины.

Определим величины потокосцеплений статора и ротора. Предположим, что статор и ротор трехфазного асинхронного двигателя имеют симметричные обмотки, воздушный зазор по всей окружности ротора одинаков, магнитное поле в воздушном зазоре распределено синусоидально, оси обмоток статора и ротора не совпадают, образуя произвольный угол j (рис. 3.17). Устанавливаем величину полного магнитного потока, сцепленного со статорной обмоткой фазы A. Для этого учитываем магнитные поля, созданные фазными токами I_1A, I_1B, I_1C. Принимаем, что индуктивности фазных обмоток статора одинаковы и равны l₁, взаимные индуктивности фаз A-B, A-C и B-C также одинаковы и равны l₀ (по условиям симметрии асинхронной машины).

Тогда общий магнитный поток, сцепленный со статорной обмоткой фазы A выразится следующим образом:

.

Подставив вместо I_1C величину (-I_1A-I_1B) (так как сумма фазных токов асинхронного двигателя равна нулю), получим:

.

Проделав аналогичные операции с фазами B и C, запишем следующую систему уравнений:

(3.3)

Заметим, что индуктивность фазной обмотки статора включает в себя индуктивности от полей рассеяния и от главного потока, то есть

l₁=l_1l+l₁₀ (3.4).

Так как, в общем случае, взаимная индуктивность двух обмоток со сдвинутыми на некоторый угол осями равна произведению взаимной индуктивности, которая имела бы место при совпадении осей обмоток, на косинус угла между осями, то взаимную индуктивность можно выразить соотношением:

(3.5).

Учитывая выражения (4) и (5), преобразуем систему уравнений (3) к следующему виду:

(3.6)

где

L₁ = l_1l + 1,5l₁₀ = l_1l + L₀ - полная индуктивность фазы статора.

Рассуждая аналогичным образом относительно обмотки ротора, получим следующие выражения для фазных потокосцеплений роторной обмотки с собственным потоком:

(3.7)

где

L₂ = l_2l + L₀ - полная индуктивность фазы ротора.

Определяем величину общего потокосцепления фазы A статора, созданного намагничивающими силами статора и ротора:

или, учитывая, что I_2a + I_2b + I_2c = 0 и :

Выразив аналогичным образом потокосцепления для фаз статора B и C, запишем следующую систему уравнений:

Учитывая, что и , умножим первое уравнение системы (8) на , второе на , третье на и просуммируем полученные произведения:

или

(3.9).

Таким же образом получим формулу потокосцепления ротора:

. (3.10)

Объединив уравнения (2), (10) и (11), получим систему уравнений обобщенного асинхронного двигателя:

(3.7)

где

L₀ - взаимная индуктивность обмоток статора и ротора,

L₁ - индуктивность статора от потоков рассеяния,

L₂ - индуктивность ротора от потоков рассеяния.

3.13 Регулирование осевого перемещения ротора

Величина ЭДС в статорной обмотке Е₁ двигателя определяется частотой тока ₁, магнитным потоком Ф_м и параметрами статорной обмотки (R об., W).

E₁=и₁и₂и₃₁W₁R_обФ_м. (3.12)

Приближенно для напряжения на стартере U₁E₁

При этом

Ф_м=***₀, (3.13)

где

, -геометрические параметры стартера

- коэфициент полюсного перекрытия (=0.60.8)

₀- магнитная индукция в зазоре.

Из уравнений следует, что:

U₁ =и₁и₂и₃₁W₁R_об***₀, (3.14)

Откуда

₀=U/K_U*₁, (3.15)

где

К_U= и₁и₂и₃W₁R_об**

Примем в качестве допущения, что ₀=соnst внутри статора (на участке L), а за его пределами уменьшается по экспотенциальному закону.

₀=₀е^-Кх

Элементарная сила dF_а приложенная к участку ротора шириной dx

dF_a=k_FB²dx= kFB²₀ e^-2Kx dx

после интегрирования получаем:

F_a= (3.16)

Для малых смещений может быть использованна линейная модель зависимости силы от величины смещения.

F_a=K_F*B²₀x=

Момент, развиваемый двигателем:

M=, (3.17)

где

S-скольжение ротора

R_i -параметры сопротивления обмоток

=2₁ - круговая частота

То есть

MC_m

и значит:

F_a==



Регулирование происходит путем управления на входе в преобразователь на выпрямителе. Здесь задается от ЧПУ мощность привода так как система ШИМ позволяет производить регулирование на мощностях меньше наминала. Далее тиристорный инвертор увеличивая и уменьшая U в обмотках статора компенсирует силу F_a смещением ротора магнитным полем, также производя регулирование скорости вращения о момента на валу.

Определим величины потокосцеплений статора и ротора. Предположим, что статор и ротор трехфазного асинхронного двигателя имеют симметричные обмотки, воздушный зазор по всей окружности ротора одинаков, магнитное поле в воздушном зазоре распределено синусоидально, оси обмоток статора и ротора не совпадают, образуя произвольный угол j (рис. 3.17).

4. Бжд

4.1 Анализ опасных и вредных факторов, возможных чрезвычайных ситуаций технического процесса

При механической обработке металлов, пластмасс и других материалов на металлорежущих станках (токарных, фрезерных, сверлильных, шлифовальных, заточных и др.) возникает ряд физических, химических, психофизиологических и опасных биологических и вредных производственных факторов.

Движущиеся части производственного оборудования, передвигающиеся изделия и заготовки; стружка обрабатываемых материалов, осколки инструментов, высокая температура поверхности обрабатываемых деталей и инструмента; повышенное напряжение в электроцепи или статического электричества, при котором может произойти замыкание через тело человека - относятся к категории опасных физических факторов.